Previsão numérica da vida à fadiga em peças entalhadas produzidas por SLM sujeitas a histórias de carga multiaxiais.

Abstract

O presente trabalho tem como principal objetivo desenvolver um modelo de previsão de vida à fadiga para componentes entalhados produzidos por fusão seletiva por laser submetidos a carregamentos proporcionais combinados de flexão e torção. A geometria da peça em análise é híbrida, sendo constituída por uma secção circular maciça de aço fabricada através de técnicas subtrativas convencionais, no qual está implantada uma secção circular tubular oca, obtida pela técnica aditiva de fusão seletiva por laser, com um furo transversal passante. As relações entre o momento fletor (B) e o momento torsor (T) estudadas foram: B=2T, B=T e B=2T/3.Nesta dissertação desenvolve-se uma metodologia de previsão de vida à fadiga recorrendo ao método dos elementos finitos. O primeiro objetivo compreende a identificação de um modelo constitutivo elastoplástico cíclico, que possibilite uma caracterização precisa do estado de tensão e de deformação na região do entalhe para os diferentes cenários de carregamento considerados. Baseados nestes modelos, pretende-se desenvolver critérios numéricos que permitam prever o local de iniciação da fenda e o ângulo da fenda na fase inicial de propagação. A previsão do local de iniciação é feita com base no nó da parede do furo com maior valor da primeira tensão principal. Relativamente ao ângulo da fenda na fase inicial de propagação, este determina-se com base na primeira direção principal obtida para o nó da parede do furo com maior valor da primeira tensão principal.O segundo objetivo consiste em identificar um critério de falha representativo para os diferentes tipos de carregamentos considerados e prever a vida de iniciação de fenda. Neste trabalho recorre-se ao parâmetro SWT, sendo o carregamento multiaxial reduzido a um carregamento uniaxial equivalente. As previsões de vida à fadiga são obtidas considerando os valores locais efetivos e máximos do parâmetro SWT.As comparações entre os valores previstos e os valores experimentais obtidos para os mesmos cenários de carregamento, sugerem que ambas as abordagens aplicadas permitem obter resultados bastante satisfatórios. Porém, verifica-se que a abordagem baseada no valor máximo do parâmetro SWT conduz a melhores resultados, com 100% dos resultados de previsão localizados dentro das bandas de dispersão com fatores de 2.

This work aims to develop a fatigue life prediction model for notched components produced by selective laser melting subjected to proportional bending-torsion loading. The specimen under analysis is a hybrid geometry, consisting of a solid circular cross-section produced by conventional subtractive techniques and a tubular implant obtained by the selective laser melting containing a transversal hole. The bending moment (B) to torsion moment (T) ratios considered in this study are: B=2T, B=T and B=2T/3.This dissertation develops a methodology for fatigue life prediction using the finite element method. The first objective consists of choosing a cyclic elastoplastic constitutive model, which allows an accurate characterization of the stress-strain state at the notch region for the different loading scenarios. Based on this model, it is intended to develop numerical criteria to predict the crack initiation sites and the crack angles at the early stage of growth. The crack initiation site is predicted from the maximum nodal value of the first principal stress at the hole surface and the crack angle at the early stage of growth is determined by computing the first principal direction of the node with the maximum value of the first principal stress along the hole surface. The second objective is the identification of a failure criterium representative of the fatigue damage for the different loading scenarios and predict the fatigue lifetime. In this research, the SWT parameter is selected to correlate the fatigue damage with the fatigue life, by reducing the multiaxial stress-strain state to an equivalent uniaxial stress-strain state. The fatigue life predictions are obtained from both the effective and maximum local values of the SWT parameter. The comparations between the predict values and those obtained experimentally suggest that both approaches can be applied to predict the fatigue life with a quite satisfactory accuracy. However, the approach based on the maximum value of the SWT parameter has better predictive capabilities, with 100% of the results located within scatter bands with factors of 2.